Tri-State

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Symbol nach IEC-Norm

Als Tri-State werden digitale Schaltungselemente bezeichnet, deren Ausgänge nicht wie üblich nur zwei (0 und 1), sondern zusätzlich noch einen dritten Zustand annehmen können, der mit „Z“ oder auch mit „high impedance“ (hochohmig) bezeichnet wird.

Durch Tri-States ist es möglich, die Ausgänge mehrerer Bauelemente zusammenzuschalten, ohne dass es zu Kurzschlüssen, einer Überlagerung oder einer Wired-AND- oder Wired-OR-Verknüpfung kommt, z. B. bei Datenbussen. Verglichen mit den Wired-And- und Wired-Or-Verknüpfungen ist die Tristate-Technologie deutlich schneller, da die Tristate-Technologie jeweils einen eigenen Schalttransistor zum Umschalten des Ausgangs auf den L-Pegel und auf den H-Pegel besitzt.

Tristate Buffer mit A Eingang, C Ausgang und B den Enable-Eingang. Rechts der dazu äquivalente Schalter

Hochohmiger Zustand (Z)[Bearbeiten]

Der hochohmige Zustand (Z) wird von einem Bauelement ausgegeben, wenn dieses keine aktive Eingabe hat. Bei digitalen Schaltungen bedeutet dies, dass das Ausgangssignal weder logisch 0 noch 1 ist, sondern hochohmig. Ein solches Signal sorgt dafür, dass sich das Bauelement verhält, als wäre sein Ausgang temporär von der Schaltung abgetrennt; es beeinflusst also nicht die Ausgaben anderer Bauelemente, die mit diesem parallel geschaltet sind. Es nimmt vielmehr dieselbe Ausgangsspannung wie die momentan aktiven Bauelemente an.

Wahrheitstabelle[Bearbeiten]

Unübliches Tristate-Symbol gemäß DIN

Die nachfolgende Abbildung einer Tristate-Struktur (Funktionsprinzip Tristate mit Öffner) stellt einen Schalter in Form eines Öffners dar. Dies entspricht im unbestätigten Zustand (c=0) einem geschlossenen Schalter. Das am Eingang a anliegende Eingangssignal wird in diesem Fall direkt an den Ausgang y weitergeleitet. Wenn am Eingang a ein 0-Signal anliegt, liegt am Ausgang y ein 0-Signal an. Das Gleiche gilt jeweils für ein 1-Signal. Dieser Fall entspricht den beiden ersten Zeilen der Funktionstabelle.

Betrachten wir die zweite Schalterstellung des Schalters c. In diesem Fall liegt an Schalteingang c ein 1-Signal an. Diese Schalterstellung stellt einen Öffner in betätigter Form dar. Praktisch bedeutet das, dass der Schalter betätigt ist und zwischen dem Eingang a und dem Ausgang y keine elektrische Verbindung vorhanden ist (entspricht dem betätigten Zustand eines Öffners). Schaltungstechnisch entspricht das dem Tristate-Zustand. Im hochohmigen Zustand hat der Ausgang keinen festgelegten Pegel (= hochohmiger Zustand, unbestimmt, abgekürzt Z). In der Funktionstabelle entspricht dieser Fall der dritten und der vierten Zeile. Unabhängig vom Eingangszustand a liegt am Ausgang der hochohmige Z an.

In der verkürzten Funktionstabelle kann das Tristate-Verhalten auf zwei Zeilen verkürzt werden. Im ersten Fall (erste Zeile) liegt am Ausgang y jeweils der am Eingang a anliegende Logikzustand an. Im zweiten Fall, wenn sich das Gatter im Zustand Tristate befindet, liegt am Ausgang y der hochohmige Zustand Z unabhängig vom Eingangszustand a an. Dieses Verhalten wird als Low-aktive Ansteuerung der Tristate-Schaltung bezeichnet.

Tabelle komplett
a c y
0 0 0
1 0 1
0 1 Z
1 1 Z
Tabelle verkürzt
c y
0 a
1 Z
Funktionsprinzip Tristate mit Öffner

Technischer Einsatz der Tristate-Technologie[Bearbeiten]

TTL-Inverter mit Tri-State-Ausgang[1]

Die Anzahl der parallel geschalteten Tristate-Bauelemente ist begrenzt. Jeder Tristate-Ausgang besitzt geringe Leckströme, die sich bei der Parallelschaltung der Tristate-Bauelemente addieren und somit die Signalpegel mit verzerren können.

Weiterhin ist zu berücksichtigen, dass die Ausgänge der Tristate-Bauelemente alle miteinander verbunden werden müssen. Diese Verbindungsleitungen besitzen parasitäre Kondensatoren, die bei jedem Schaltvorgang von H nach L und von L nach H jeweils umgeladen werden müssen. Weiterhin besitzen die Verbindungsleitungen einen ohmschen Widerstand. Je größer die Anzahl von parallel geschalteten Bauelementen ist, desto größer ist der Kapazitätswert und desto größer ist auch der Widerstandswert und desto stärker ist die Signalbeeinflussung. Beispielsweise nimmt dadurch die Flankensteilheit des Ausgangssignals bei den Schaltvorgängen ab. Als Folge nimmt die maximal erreichbare Taktfrequenz mit der Anzahl der parallel geschalteten Bauelemente ab.

Da an den Tristate-Leitungen auch Eingänge von Logikbauelementen angeschlossen sind, ist es erforderlich, dass an der Leitung jeweils ein definierter Logikzustand anliegt. Dies bedeutet, dass immer ein Bauelement ein aktives L- oder H-Signal senden muss – mindestens ein Ausgang darf sich nicht im Tristate-Zustand befinden. Als mögliche Alternative kann hierzu ein Pull-Up-Widerstand (zwischen Ausgang und der Versorgungsspannung) oder ein Pull-Down-Widerstand (zwischen Ausgang und dem Bezugspotenzial) verwendet werden. Dieser Widerstand sorgt dann für einen definierten Signalpegel, wenn kein Tristate-Treiber aktiv ist.

Bei den programmierbaren logischen Schaltungen (PLD) oder den FPGA-Bauelementen kann ebenfalls die Tristate-Technologie verwendet werden. Die Entwicklung der Logikfunktion dieser Schaltungen erfolgt bei der praktischen Schaltungsentwicklung typischerweise so, dass die Tristate-Funktion ausschließlich an den Bauelementanschlüssen nach außen hin verwendet wird. Die Schaltungsfunktion wird hierbei so gewählt, dass innerhalb dieser Bauelemente zum Umschalten ausschließlich Multiplexer verwendet werden. Das Gleiche gilt für den Einsatz bei anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Praktische Realisierung logischer Schaltungen, Rechenzentrum Elektrotechnik der Fachhochschule Kiel, 9. Oktober 2012